DE102019205306A1 - Valve for metering a fluid - Google Patents
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Abstract
Ein Ventil (1) zum Zumessen eines Fluids, das insbesondere als Brennstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen ausgebildet ist, umfasst ein Gehäuse (6), einen Aktuator (2) und eine Ventilnadel (15), die von einem Anker (4) des Aktuators (2) entlang einer Längsachse (8) entgegen einer Rückstellfeder (30) betätigbar ist, wobei der Anker (4) mit einer Außenseite (43) des Ankers (4) zumindest teilweise an einer Innenwand (42) des Gehäuses (6) geführt ist. Das Ventil ist so ausgebildet, dass zumindest eine Teilfläche (44) der Außenseite (43) des Ankers (4) zumindest näherungsweise in einer Kugelfläche (47) liegt, wobei zumindest bei einer axialen Ausrichtung des Ankers (4) an der Längsachse (8) eine Führung des Ankers (4) an der Teilfläche (44) erfolgt, die zumindest näherungsweise in der Kugelfläche (47) liegt. A valve (1) for metering a fluid, which is designed in particular as a fuel injection valve for internal combustion engines, comprises a housing (6), an actuator (2) and a valve needle (15) which is supported by an armature (4) of the actuator (2) can be actuated along a longitudinal axis (8) against a return spring (30), the armature (4) being at least partially guided with an outer side (43) of the armature (4) on an inner wall (42) of the housing (6). The valve is designed in such a way that at least a partial surface (44) of the outer side (43) of the armature (4) lies at least approximately in a spherical surface (47), at least with an axial alignment of the armature (4) on the longitudinal axis (8) the armature (4) is guided on the partial surface (44) which lies at least approximately in the spherical surface (47).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Zumessen eines Fluids, insbesondere ein Brennstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Injektoren für Brennstoffeinspritzanlagen von Kraftfahrzeugen, bei denen vorzugsweise eine direkte Einspritzung von Brennstoff in Brennräume einer Brennkraftmaschine erfolgt.The invention relates to a valve for metering a fluid, in particular a fuel injection valve for internal combustion engines. In particular, the invention relates to the field of injectors for fuel injection systems of motor vehicles, in which fuel is preferably injected directly into the combustion chambers of an internal combustion engine.
Aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das erfindungsgemäße Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine verbesserte Ausgestaltung und Funktionsweise ermöglicht sind. Insbesondere kann ein Einspritzverhalten verbessert werden.The valve according to the invention with the features of
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Ventils möglich.The measures listed in the subclaims allow advantageous developments of the valve specified in
Das Ventil dient vorzugsweise zum Zumessen eines flüssigen Fluids, insbesondere eines flüssigen Brennstoffs. Als Brennstoff eignet sich insbesondere ein Benzin oder ein Gemisch, das Benzin aufweist. Hierbei wird der Brennstoff vorzugsweise direkt in die Brennkammer einer Brennkraftmaschine eingespritzt. Das flüssige Fluid kann einen Ankerraum, in dem der Anker angeordnet ist, durchströmen und so zu einer Dämpfung des Ankers beitragen. Es ist aber auch eine abgewandelte Ausgestaltung denkbar, bei der sich im Ankerraum beispielsweise ein geeignetes Druckfluid befindet. Somit kann durch die Wahl der jeweiligen Ausgestaltung eine Zumessung von geeigneten Flüssigkeiten und gegebenenfalls auch von Gasen ermöglicht werden.The valve is preferably used to meter a liquid fluid, in particular a liquid fuel. A gasoline or a mixture containing gasoline is particularly suitable as the fuel. Here the fuel is preferably injected directly into the combustion chamber of an internal combustion engine. The liquid fluid can flow through an armature space in which the armature is arranged and thus contribute to damping of the armature. However, a modified configuration is also conceivable in which, for example, a suitable pressure fluid is located in the armature space. Thus, by choosing the respective configuration, it is possible to meter suitable liquids and, if necessary, also gases.
Das Ventil weist einen elektromagnetischen Aktuator mit einem an der Ventilnadel angeordneten Anker auf, wobei der Anker nicht fest mit der Ventilnadel verbunden, sondern zwischen zwei Anschlägen, die an der Ventilnadel vorgesehen sind, fliegend gelagert ist. Hierbei ist ein axiales Spiel zwischen dem Anker und den beiden Anschlägen vorgegeben, das Ankerfreiweg genannt wird. Über eine Ankerfreiwegfeder kann der Anker im Ruhezustand an dem näher an dem Dichtsitz liegenden Anschlag gehalten werden, damit bei der folgenden Ansteuerung des Aktuators und der hierbei erfolgenden Betätigung des Ankers vorzugsweise der komplette Ankerfreiweg als Beschleunigungsstrecke zur Verfügung steht.The valve has an electromagnetic actuator with an armature arranged on the valve needle, the armature not being fixedly connected to the valve needle, but rather being cantilevered between two stops that are provided on the valve needle. Here, there is an axial play between the armature and the two stops, which is called the armature free travel. An armature free travel spring can be used to hold the armature at rest against the stop closer to the sealing seat, so that the complete armature free travel is preferably available as an acceleration path during the subsequent activation of the actuator and the actuation of the armature.
Diese Ausgestaltung mit Ankerfreiweg hat mehrere Vorteile. Durch den entstehenden Impuls des Ankers beim Öffnen kann bei gleicher Magnetkraft die Ventilnadel auch bei höheren Fluiddrücken, insbesonder Brennstoffdrücken, sicher geöffnet werden, was eine mechanische Boosterung darstellt. Ferner können die bewegten Massen entkoppelt werden, so dass die Anschlagkräfte auf zwei Impulse aufgeteilt sind, wodurch sich ein geringerer Sitzverschleiß ergibt. Außerdem kann eine Neigung des Ankers zum Prellen speziell bei hochdynamischen Ventilen durch die Entkopplung der Massen erreicht werden.This design with an anchor free path has several advantages. Due to the impulse generated by the armature when opening, the valve needle can be opened reliably even at higher fluid pressures, especially fuel pressures, with the same magnetic force, which represents a mechanical boost. Furthermore, the moving masses can be decoupled, so that the stop forces are divided between two pulses, which results in less seat wear. In addition, a tendency for the armature to bounce, especially with highly dynamic valves, can be achieved by decoupling the masses.
Der Anker wird bei einer Bestromung einer Magnetspule des Aktuators von einem Innenpol des Aktuators angezogen. Eine Führungsbohrung zur Führung entlang der Längsachse ist vorzugsweise an dem Innenpol ausgebildet. In vorteilhafter Weise kann die Ventilnadel dadurch radial am Innenpol gelagert werden. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt diese Führung über ein mit der Ventilnadel verbundenes Führungselement, das zugleich als Anschlagelement für den Anker dient. Diese Führung der Ventilnadel über das Führungselement an dem Innenpol ermöglicht eine Lagerung der Ventilnadel in dem Gehäuse, die nicht über den Anker erfolgt, wodurch entsprechende Radialkräfte zwischen dem Anker und der Ventilnadel beziehungsweise dem Anker und dem Gehäuse von vornherein vermieden sind. Dies vermeidet einen Verschleiß an der radialen Führung zwischen dem Anker und der Ventilnadel beziehungsweise dem Anker und dem Ventilgehäuse.The armature is attracted by an inner pole of the actuator when a magnetic coil of the actuator is energized. A guide bore for guiding along the longitudinal axis is preferably formed on the inner pole. The valve needle can thereby advantageously be mounted radially on the inner pole. In a preferred embodiment, this guidance takes place via a guide element connected to the valve needle, which also serves as a stop element for the armature. This guidance of the valve needle via the guide element on the inner pole enables the valve needle to be supported in the housing, which does not take place via the armature, whereby corresponding radial forces between the armature and the valve needle or the armature and the housing are avoided from the outset. This avoids wear on the radial guide between the armature and the valve needle or the armature and the valve housing.
Zwischen der Außenseite des Ankers und der Innenwand des Gehäuses ist in vorteilhafter Weise eine Lagerung des Ankers in dem Gehäuse realisiert, die zum einen eine axiale Bewegung des Ankers zwischen den an der Ventilnadel vorgesehenen Anschlägen entlang der Längsachse und zum anderen eine Verkippung des Ankers ermöglicht, die vorzugsweise entsprechend dem Prinzip einer Kugellagerung realisiert ist.Between the outside of the armature and the inner wall of the housing, the armature is advantageously supported in the housing, which on the one hand enables an axial movement of the armature between the stops provided on the valve needle along the longitudinal axis and, on the other hand, enables the armature to be tilted. which is preferably implemented according to the principle of a ball bearing.
Beispielsweise können für die Herstellung des Ventils gewisse Toleranzbereiche für die Ausgestaltung der beteiligten Anschlagflächen für den Anker vorgegeben sein. Dies betrifft insbesondere die Anschlagfläche des Anschlagelements, an dem der Anker am Beginn einer Betätigung ruht beziehungsweise gerade zur Ruhe kommt und die Anschlagfläche an dem Innenpol. Herstellungsbedingt können sich dann Abweichungen von einer idealen senkrechten Ausrichtung dieser Anschlagflächen an der Längsachse ergeben. Speziell können die Anschlagflächen dadurch nicht parallel zueinander orientiert sein. Die entsprechend dem Prinzip einer Kugellagerung realisierte Lagerung des Ankers an der Innenwand des Gehäuses ermöglicht dann im Verlauf eines Einspritzvorgangs mit einer ein- oder mehrmaligen Betätigung der Ventilnadel durch die Orientierung der Anschlagflächen bedingt Verkippungen des Ankers, ohne dass es zu einem erhöhten Verschleiß infolge von beispielsweise Kantenläufern kommt.For example, certain tolerance ranges for the design of the stop surfaces involved can be specified for the armature for the manufacture of the valve. This relates in particular to the stop surface of the stop element on which the armature rests or just comes to rest at the beginning of an actuation, and the stop surface on the inner pole. Depending on the manufacturing process, there can then be deviations from an ideal vertical alignment of these stop surfaces on the longitudinal axis. In particular, the stop surfaces cannot be oriented parallel to one another as a result. The mounting of the armature on the inner wall of the housing, implemented according to the principle of a ball bearing, then enables tilting of the armature due to the orientation of the stop surfaces in the course of an injection process with a single or multiple actuation of the valve needle without increasing wear due to, for example Edge runners comes.
Bei der Weiterbildung nach Anspruch 2 und Anspruch 3 ist es besonders vorteilhaft, wenn der erste axiale Abschnitt des Ankers als mittlerer axialer Abschnitt realisiert ist, der sowohl von der ersten als auch von der zweiten Stirnseite des Ankers beabstandet ist. Zwischen diesem ersten beziehungsweise mittleren axialen Abschnitt und den beiden Stirnseiten können dann jeweils geeignete Ausgestaltungen der Außenseite des Ankers realisiert werden. Hierbei kann insbesondere berücksichtigt werden, dass der Spalt zwischen der Außenseite des Ankers und der Innenwand des Gehäuses möglichst klein bleibt oder ist, um eine hohe magnetische Flussdichte bei der Anregung der Magnetspule zu erzielen.In the further development according to claim 2 and claim 3, it is particularly advantageous if the first axial section of the armature is implemented as a central axial section which is spaced apart from both the first and the second end face of the armature. Suitable configurations of the outside of the armature can then be implemented in each case between this first or central axial section and the two end faces. In particular, it can be taken into account that the gap between the outside of the armature and the inside wall of the housing remains or is as small as possible in order to achieve a high magnetic flux density when the magnet coil is excited.
Die Weiterbildung nach Anspruch 4 hat hierbei den Vorteil, dass dennoch ein Verkippen des Ankers über einen optimal großen Bereich beziehungsweise Kippwinkel möglich ist. Speziell eignet sich hierbei eine Ausgestaltung nach Anspruch 5. Bei einer Weiterbildung nach Anspruch 6 ist es außerdem vorteilhaft, wenn ein gleichmäßiger Übergang von jedem der weiteren axialen Abschnitte auf den ersten beziehungsweise mittleren axialen Abschnitt des Ankers erfolgt. Hierdurch kann die Außenseite des Ankers so ausgestaltet werden, dass entlang der Längsachse betrachtet ein tangentialer Übergang von dem Kegel auf den Kugelradius beziehungsweise von dem Kugelradius auf den Kegel realisiert ist. Im Bereich seiner Außenseite ist der Anker dann entsprechend einer Konvexform ausgestaltet. In einem Axialschnitt entlang der Längsachse betrachtet weist die Außenseite in dem ersten Abschnitt dann eine radienförmige Ausgestaltung auf, an die sich beidseitig vorzugsweise Kegelformen anschließen. Somit ergeben sich wesentliche Vorteile, wenn eine Weiterbildung nach Anspruch 5 und/oder Anspruch 6 realisiert ist.The development according to claim 4 has the advantage that the armature can nevertheless be tilted over an optimally large area or tilt angle. An embodiment according to
Die Weiterbildung nach Anspruch 7 hat den Vorteil, dass stets eine Kugellagerung in dem mittleren Abschnitt realisiert ist, auch wenn ein Kippen des Ankers erfolgt. Der zumindest eine weitere axiale Abschnitt dient dann nicht zur Führung des Ankers an der Innenwand des Gehäuses, sondern über den im Profil keilförmigen Spalt zur Ermöglichung des Verkippens. Der zumindest eine weitere axiale Abschnitt kann dann so ausgestaltet werden, dass sich dennoch ein optimal kleiner Spalt zwischen der Außenseite des Ankers und der Innenwand des Gehäuses ergibt. Entsprechende Vorteile ergeben sich bei der vorteilhaften Weiterbildung nach Anspruch 8.The further development according to claim 7 has the advantage that a ball bearing is always implemented in the middle section, even if the armature tilts. The at least one further axial section then does not serve to guide the armature on the inner wall of the housing, but rather via the gap, which is wedge-shaped in profile, to enable tilting. The at least one further axial section can then be designed in such a way that an optimally small gap still results between the outside of the armature and the inside wall of the housing. Corresponding advantages result from the advantageous further development according to claim 8.
Die Weiterbildung nach Anspruch 9 hat den Vorteil, dass die magnetische Flussdichte bei der Anregung der Spule optimiert werden kann. Dadurch ergibt sich eine weitere Verbesserung bezüglich des Schaltverhaltens des Ventils. Das Schaltverhalten des Ventils wird auch durch eine Weiterbildung nach Anspruch 10 verbessert, wobei auch eine Reduzierung des Verschleißes über die Lebensdauer und somit eine Vergleichmäßigung des Schaltverhaltens ermöglicht ist.The further development according to claim 9 has the advantage that the magnetic flux density can be optimized when the coil is excited. This results in a further improvement in terms of the switching behavior of the valve. The switching behavior of the valve is also improved by a further development according to claim 10, with a reduction in wear and tear over the service life and thus an equalization of the switching behavior being possible.
In vorteilhafter Weise kann der Anker in einem Ankerraum angeordnet sein, der mit einem flüssigen Fluid gefüllt ist, um eine Dämpfung der Bewegung des Ankers zu ermöglichen. Bei dem flüssigen Fluid kann es sich insbesondere um das Fluid handeln, das von dem Ventil zugemessen wird. Das zuzumessende Fluid kann beispielsweise über die Führungsbohrung des Innenpols in den Ankerraum geführt werden. Der Anker kann dann beispielsweise Durchgangsbohrungen aufweisen, durch die das Fluid dann weiter zu dem Dichtsitz geführt werden kann.The armature can advantageously be arranged in an armature space which is filled with a liquid fluid in order to enable the movement of the armature to be damped. The liquid fluid can in particular be the fluid that is metered by the valve. The fluid to be metered can for example be guided into the armature space via the guide bore of the inner pole. The armature can then, for example, have through bores through which the fluid can then be guided on to the sealing seat.
FigurenlisteFigure list
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Ventil in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
2 einen Anker des in1 dargestellten Ventils in einer schematischen Schnittdarstellung; -
3 eine auszugsweise, schematische Darstellung des in1 dargestellten Ventils, in der der Anker an einem Anschlagelement ruht beziehungsweise anschlägt beziehungsweise zur Ruhe kommt, zur Erläuterung der Funktionsweise einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung und -
4 eine auszugsweise, schematische Darstellung des in1 dargestellten Ventils, in der der Anker an einem Innenpol anschlägt, zur Erläuterung der Funktionsweise einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung.
-
1 a valve in a partial, schematic sectional view according to an embodiment of the invention; -
2 an anchor of the in1 valve shown in a schematic sectional view; -
3 a schematic representation of the in1 shown valve, in which the armature rests or strikes against a stop element or comes to rest, to explain the functioning of a possible embodiment of the invention and -
4th a schematic representation of the in1 valve shown, in which the armature strikes an inner pole, to explain the functioning of a possible embodiment of the invention.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Das Ventil
Der Anker
Im Ausgangszustand liegt der Anker
Beim Öffnen des Ventils
Somit ist die Ventilnadel
Die Außenseite
Bei einer Betätigung des Ankers
Zwischen dem Anker
Somit kann gewährleistet werden, dass die Führung des Ankers
Somit können insbesondere Kantenläufer vermieden werden, was einen Verschleiß zwischen dem Anker
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt.The invention is not restricted to the embodiments described.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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